JP7240415B2 - System and method for ultrasound screening - Google Patents
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Description
本発明は、超音波の分野、特に胎児超音波スクリーニングの分野に関する。 The present invention relates to the field of ultrasound, particularly fetal ultrasound screening.
母体年齢の上昇に伴う生殖補助技術の普及により、双子の出産数が大幅に増加している。双子妊娠はリスクが高いため、胎児の健康状態を定期的にモニタリングすることが重要である。胎児の健康状態は通常、ドップラー超音波トランスデューサを使用して胎児の心拍数を測定することにより評価される。双子妊娠の場合、2つの独立した超音波トランスデューサを母体の腹部に手動で配置する必要があり、これは技術と経験とを必要とする。 Due to the spread of assisted reproductive technology accompanying the rise in maternal age, the number of twin births has increased significantly. Due to the high risk of twin pregnancies, regular monitoring of fetal well-being is important. Fetal health is typically assessed by measuring the fetal heart rate using a Doppler ultrasound transducer. Twin pregnancies require manual placement of two independent ultrasound transducers in the maternal abdomen, which requires skill and experience.
双子の胎児の心拍数の測定中に経験される臨床的な問題は、両方の心臓が1つのトランスデューサの同じ測定範囲に横たわっているために引き起こされる場合がある。測定されたドップラー信号は、両方の胎児の心臓に関連する情報を含み、胎児心拍数推定アルゴリズムは、いずれかの胎児に関する正しい胎児心拍数情報を抽出することに失敗する。 Clinical problems experienced during twin fetal heart rate measurements may be caused by both hearts lying in the same measuring range of one transducer. The measured Doppler signals contain information related to both fetal hearts and the fetal heart rate estimation algorithm fails to extract correct fetal heart rate information for either fetus.
更に、両方のトランスデューサが同じ胎児の心臓に誤って向けられて、同じ心拍数を測定してしまい、これにより、もう一方の胎児の心拍数情報が見逃されることが起こり得る。これは、胎児のいずれかが完全に見過ごされるという潜在的な問題を引き起こす場合がある。心臓の位置はまた、胎児の動きにより時間の経過とともに変化することがあり、超音波トランスデューサの再配置が必要とされる場合がある。これにより、測定された胎児心拍数に更なる不確実性が導入される。 Furthermore, both transducers can be misdirected at the same fetal heart and measure the same heart rate, thereby missing the heart rate information of the other fetus. This can lead to the potential problem that one of the fetuses will go unnoticed entirely. The position of the heart may also change over time due to fetal motion, which may require repositioning of the ultrasound transducer. This introduces additional uncertainty into the measured fetal heart rate.
追加的に、両方の超音波トランスデューサが正しく配置されるにもかかわらず、心拍数が偶然に一致していることも起こり得る。この場合、システムは、測定された心拍数の両方が同じ胎児に属するものであるか、又は2つの異なるドップラー源からのものであるかを区別することができない場合がある。更に、胎児の1又は複数の心拍数ではなく、母体心拍数の登録が発生する可能性がある。なぜなら、脈動する母体動脈が測定ボリューム内に位置しているからである。 Additionally, it is possible that the heart rates coincide by chance even though both ultrasound transducers are correctly positioned. In this case, the system may not be able to distinguish whether both measured heart rates belong to the same fetus or are from two different Doppler sources. Furthermore, registration of the maternal heart rate may occur rather than the fetal heart rate(s). This is because the pulsating maternal artery is located within the measurement volume.
従って、大幅なハードウェアの追加を必要とせずに、複数の胎児から心拍情報をより確実に取得するシステムが必要とされる。 What is needed, therefore, is a system that more reliably acquires heartbeat information from multiple fetuses without requiring significant additional hardware.
本発明は、請求項により規定される。 The invention is defined by the claims.
本発明の一側面による実施例によれば、超音波システムが提供され、このシステムは、
超音波トランスデューサアレイであって、上記超音波トランスデューサアレイが、対象の身体に適合するよう構成された複数のトランスデューサ要素を有し、上記複数のトランスデューサ要素の少なくとも2つの超音波トランスデューサ要素は、関心領域に対して異なる向きで上記関心領域からの複数の超音波信号を取得する、超音波トランスデューサアレイと、
上記超音波トランスデューサアレイにより取得された超音波信号を受信するプロセッサであって、
信号の深さに基づき、複数の超音波信号を分割し、
各超音波信号の分割について、ドップラパワーを計算し、
各超音波信号について、各超音波信号の分割の上記ドップラパワーに基づき、胎児の心拍の深さを特定し、
上記特定された胎児の心拍及び上記少なくとも2つの超音波トランスデューサの位置に基づき、胎児の心臓領域を特定する、プロセッサとを有する。
According to an embodiment according to one aspect of the invention, an ultrasound system is provided, the system comprising:
An ultrasound transducer array, said ultrasound transducer array having a plurality of transducer elements configured to conform to a body of a subject, wherein at least two ultrasound transducer elements of said plurality of transducer elements are located in a region of interest an ultrasound transducer array that acquires a plurality of ultrasound signals from the region of interest at different orientations relative to
A processor for receiving ultrasonic signals acquired by the ultrasonic transducer array,
splitting a plurality of ultrasound signals based on signal depth;
Compute the Doppler power for each ultrasound signal split,
determining, for each ultrasound signal, the depth of the fetal heartbeat based on the Doppler power of the split of each ultrasound signal;
a processor for determining a fetal heart region based on the determined fetal heart rate and the positions of the at least two ultrasound transducers.
このシステムは、特に、複数の胎児の心臓(双子)がある場合、又は母体の血管が超音波信号内で捕捉される場合に、胎児の心拍がより正確に位置決めされることを可能にする。 This system allows the fetal heartbeat to be located more accurately, especially when there are multiple fetal hearts (twins) or when maternal blood vessels are captured within the ultrasound signal.
ドップラパワーは、所与の測定ボリューム、又はサンプルボリューム内の総運動を反映している。超音波信号を分割するために使用される信号深度は、このサンプルボリュームの深さを決定する。送信された超音波ビームの形状は、サンプルボリュームの長さ及び幅を決定する。トランスデューサの既知の位置(配置)を使用して、撮像領域内のサンプルボリュームの位置が決定されてもよい。 Doppler power reflects the total motion within a given measurement volume, or sample volume. The signal depth used to split the ultrasound signal determines the depth of this sample volume. The shape of the transmitted ultrasound beam determines the length and width of the sample volume. Using the known position (orientation) of the transducer, the position of the sample volume within the imaging area may be determined.
典型的には、最も強いドップラパワーを持つサンプルボリュームが、胎児の心臓の位置を示す。3D可視化は更に、撮像領域内の位置及び任意の更なるドップラー源(例えば、母体の血管)を明確にする。 Typically, the sample volume with the strongest Doppler power indicates the location of the fetal heart. The 3D visualization further clarifies the position within the imaging region and any further Doppler sources (eg maternal blood vessels).
対象の形状に簡単にフィットするよう構成されるアレイを使用することは、双子の場合に、2つの胎児の心拍を取得するために2つの超音波プローブを正確に配置するという複雑な作業を臨床医が行う必要性を軽減又は排除する。 Using arrays configured to easily fit the shape of the subject clinically eliminates the complex task of precisely positioning two ultrasound probes to acquire two fetal heartbeats in the case of twins. reduce or eliminate the need for a physician
実施形態では、ドップラパワーの計算は、
超音波信号の分割に基づき、ドップラー信号を計算すること;及び
所定の時間期間におけるドップラー信号の二乗平均値を計算し、これによりドップラパワーを計算することを含む。
In an embodiment, the calculation of Doppler power comprises:
calculating the Doppler signal based on the splitting of the ultrasound signal; and calculating the root mean square value of the Doppler signal over a predetermined time period, thereby calculating the Doppler power.
更なる実施形態では、時間期間は1秒以上、例えば2秒以上である。 In a further embodiment, the time period is 1 second or more, such as 2 seconds or more.
こうして、測定ウィンドウ内で心拍を見逃すリスクが低減又は排除される。 Thus, the risk of missing heartbeats within the measurement window is reduced or eliminated.
ある構成では、胎児の心拍の深さを特定することは、ドップラパワーを閾値パワーと比較することを有する。 In one configuration, determining the depth of the fetal heartbeat comprises comparing Doppler power to a threshold power.
こうして、所与の値以下のパワー値は棄却され、これにより、胎児の心拍以外の要因による小さな運動が除去される。 Thus, power values below a given value are discarded, thereby removing small motions due to factors other than fetal heartbeat.
更なる構成では、胎児の心拍の深さの特定は、閾値パワー以上のドップラパワー値をクラスタリングすることを更に含む。 In a further configuration, determining the depth of the fetal heartbeat further comprises clustering Doppler power values equal to or greater than the threshold power.
こうして、胎児の心拍に起因するドップラパワーがグループ化され、これにより胎児の心臓領域のインジケーションがもたらされる。 Thus, the Doppler power due to the fetal heartbeat is grouped, which provides an indication of the fetal heart region.
更なる構成では、クラスタリングは、2要素ガウス混合モデル又はk平均クラスタリングモデルにより実行される。 In a further configuration, clustering is performed by a two-element Gaussian mixture model or a k-means clustering model.
一実施形態では、プロセッサは、特定された胎児心拍の胎児心拍数に基づき、中央値胎児心拍数を計算するよう更に構成される。 In one embodiment, the processor is further configured to calculate a median fetal heart rate based on the fetal heart rate of the identified fetal heart beats.
実施形態では、システムは更にディスプレイを含み、ディスプレイは、胎児の心臓領域をユーザに表示するよう構成される。 In an embodiment, the system further includes a display, the display configured to display the fetal heart region to the user.
更なる実施形態では、プロセッサは、関心領域内の各超音波信号分割の位置を決定するよう更に構成されており、ディスプレイは、各超音波信号の分割に関連して胎児の心臓領域を表示するよう更に構成される。 In a further embodiment, the processor is further configured to determine the location of each ultrasound signal split within the region of interest, and the display displays a fetal heart region in association with each ultrasound signal split. further configured.
胎児の心臓領域を関心領域全体に関連して表示することは、ユーザにとっての特定を簡単化する。更に、これは例えば、母体の血管が胎児の心拍として特定される場合など、誤った胎児の心臓領域の特定のインジケーションを提供することができる。 Displaying the fetal heart region in relation to the entire region of interest simplifies identification for the user. Furthermore, it can provide a specific indication of the wrong fetal heart region, for example, when a maternal blood vessel is identified as the fetal heartbeat.
一構成では、超音波トランスデューサアレイは、センサを更に含み、プロセッサは、センサの出力に基づき、超音波トランスデューサアレイの曲率を決定するよう更に構成される。 In one configuration, the ultrasonic transducer array further includes a sensor and the processor is further configured to determine the curvature of the ultrasonic transducer array based on the output of the sensor.
トランスデューサ要素のアレイの曲率を決定することにより、関心領域に対する超音波トランスデューサの位置及び向きがより正確に知られることができる。 By determining the curvature of the array of transducer elements, the position and orientation of the ultrasound transducer with respect to the region of interest can be more accurately known.
更なる構成では、センサは、
ストレインゲージ、
加速度センサ、
圧電センサ、及び
カメラの1つ又は複数を有する。
In a further configuration, the sensor comprises:
strain gauge,
Acceleration sensor,
It has one or more of a piezoelectric sensor and a camera.
実施形態では、複数の超音波トランスデューサは、
圧電トランスデューサ;及び
CMUTsの1つ又は複数を有する。
In embodiments, the plurality of ultrasonic transducers comprises:
piezoelectric transducers; and CMUTs.
本発明の一側面に基づく例によれば、超音波撮像方法が提供され、この方法は、
関心領域に対して異なる向きを有する少なくとも2つの超音波トランスデューサを用いて、複数の超音波信号を取得するステップと、
信号の深さに基づき、複数の超音波信号を分割するステップと、
各超音波信号の分割について、ドップラパワーを計算するステップと、
各超音波信号について、各超音波信号分割のドップラパワーに基づき、胎児の心拍の深さを特定するステップと、
特定された胎児心拍と少なくとも2つの超音波トランスデューサの位置とに基づき、胎児の心臓領域を特定するステップとを有する。
According to an example according to one aspect of the invention, there is provided an ultrasound imaging method, the method comprising:
acquiring a plurality of ultrasound signals with at least two ultrasound transducers having different orientations with respect to the region of interest;
splitting the plurality of ultrasound signals based on signal depth;
calculating the Doppler power for each ultrasound signal split;
determining, for each ultrasound signal, the depth of the fetal heartbeat based on the Doppler power of each ultrasound signal split;
and determining a fetal heart region based on the determined fetal heartbeat and the positions of the at least two ultrasound transducers.
ある構成では、胎児の心拍の深さを特定するステップは、
ドップラパワーを閾値パワーと比較するステップと、
閾値パワー以上のドップラパワー値をクラスタリングするステップとを有する。
In one arrangement, determining the depth of the fetal heartbeat comprises:
comparing the Doppler power to a threshold power;
and clustering Doppler power values greater than or equal to the threshold power.
本発明の一側面に基づく例によれば、コンピュータプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムが提供され、このコンピュータプログラムは、上記コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されると、上記方法を実現するよう構成される。 According to an example according to one aspect of the invention there is provided a computer program comprising computer program code means, which computer program is configured to implement the method when said computer program is run on a computer. .
本発明のこれらの及び他の態様が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。 These and other aspects of the invention will be apparent from the embodiments described below and will be described with reference to these embodiments.
本発明のより好適な理解のため、及びそれがどのように実現されるかをより明確に示すため、単なる例として、添付の図面が参照される。 For a better understanding of the invention and to show more clearly how it can be realized, reference is made, by way of example only, to the accompanying drawings.
本発明が、図を参照して説明される。 The invention will be described with reference to the figures.
詳細な説明及び特定の実施例は、装置、システム及び方法の例示的な実施形態を示すものであるが、これらは例示のみを目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解されたい。本発明の装置、システム、及び方法のこれら及び他の特徴、側面、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からより良く理解されるであろう。図面は単なる概略図であり、縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。同じ又は類似の部品を示すため、図面を通して同じ参照番号が使用されることも理解されたい。 The detailed description and specific examples, while indicating exemplary embodiments of apparatus, systems and methods, are intended for purposes of illustration only and are intended to limit the scope of the invention. It should be understood that the These and other features, aspects, and advantages of the apparatus, systems, and methods of the present invention will become better understood from the following description, the appended claims, and the accompanying drawings. It should be understood that the drawings are schematic representations only and are not drawn to scale. It is also understood that the same reference numbers are used throughout the drawings to designate the same or similar parts.
本発明は、超音波トランスデューサアレイとプロセッサとを含む超音波システムを提供する。超音波トランスデューサアレイは、対象の身体に適合するよう構成された複数のトランスデューサ要素を有する。更に、複数の超音波トランスデューサ要素の少なくとも2つの超音波トランスデューサ要素は、関心領域に対して異なる方向にある関心領域から複数の超音波信号を取得するよう構成される。上記プロセッサは、上記超音波トランスデューサアレイにより取得された超音波信号を受信するよう構成される。プロセッサは更に、信号の深さに基づき、複数の超音波信号を分割し、各超音波信号の分割について、ドップラパワーを計算するよう構成される。各超音波信号について、プロセッサは、各超音波信号の分割のドップラパワーに基づき、胎児の心拍の深さを特定し、特定された胎児の心拍と少なくとも2つの超音波トランスデューサの位置とに基づき、胎児の心臓領域を特定する。 The present invention provides an ultrasound system including an ultrasound transducer array and a processor. An ultrasound transducer array has a plurality of transducer elements configured to conform to a subject's body. Further, at least two ultrasound transducer elements of the plurality of ultrasound transducer elements are configured to acquire multiple ultrasound signals from the region of interest in different directions with respect to the region of interest. The processor is configured to receive ultrasound signals acquired by the ultrasound transducer array. The processor is further configured to split the plurality of ultrasound signals based on the depth of the signal and calculate Doppler power for each ultrasound signal split. For each ultrasound signal, the processor determines the depth of the fetal heartbeat based on the Doppler power of the split of each ultrasound signal; based on the determined fetal heartbeat and the positions of the at least two ultrasound transducers; Identify the fetal heart region.
例示的な超音波システムの一般的な動作が、まず図1を参照して、システムの信号処理機能に重点を置いて説明される。なぜなら、本発明は、トランスデューサアレイにより測定された信号の処理に関するものだからである。 General operation of an exemplary ultrasound system will first be described with reference to FIG. 1, with an emphasis on the signal processing capabilities of the system. This is because the present invention relates to the processing of signals measured by transducer arrays.
このシステムは、超音波を送信し、エコー情報を受信するトランスデューサアレイ6を持つアレイトランスデューサプローブ4を有する。トランスデューサアレイ6は、CMUTトランスデューサ、PZT若しくはPVDFのような材料で形成された圧電トランスデューサ、又は他の任意の適切なトランスデューサ技術を有する。本実施例では、トランスデューサアレイ6は、関心領域の2D平面又は3次元ボリュームのいずれかを走査することが可能なトランスデューサ8の2次元アレイである。別の例では、トランスデューサアレイは、1Dアレイであってもよい。
The system has an
トランスデューサアレイ6は、トランスデューサ要素による信号の受信を制御するマイクロビームフォーマ12に結合される。マイクロビームフォーマは、米国特許第5,997,479号(Savordら)、第6,013,032号(Savord)、及び第6,623,432号(Powersら)に記載されるように、トランスデューサのサブアレイ(一般に「グループ」又は「パッチ」と呼ばれる)により受信された信号を少なくとも部分的にビームフォーミングすることができる。
The
マイクロビームフォーマは完全にオプションである点に留意されたい。更に、システムは、送受信(T/R)スイッチ16を含み、これは、マイクロビームフォーマ12が結合可能であり、送信モードと受信モードとの間でアレイを切り替え、及びマイクロビームフォーマが使用されず、トランスデューサアレイがメインシステムビームフォーマにより直接操作される場合に、メインビームフォーマ20を高エネルギー送信信号から保護する。トランスデューサアレイ6からの超音波ビームの送信は、トランスデューサコントローラ18により指示される。このコントローラは、T/Rスイッチ16によりマイクロビームフォーマに結合され、メイン送信ビームフォーマ(図示省略)に結合される。このコントローラは、ユーザインタフェース又は制御パネル38のユーザの操作からの入力を受けることができる。
Note that the microbeamformer is completely optional. Additionally, the system includes a transmit/receive (T/R)
コントローラ18は、送信モードの間、アレイ6のトランスデューサ要素を(直接又はマイクロビームフォーマを介して)駆動するよう構成された送信回路を含むことができる。
典型的なラインバイライン撮像シーケンスでは、プローブ内のビームフォーミングシステムは、以下のように動作してもよい。送信中、ビームフォーマ(実施形態によってはマイクロビームフォーマ又はメインシステムビームフォーマであってもよい)は、トランスデューサアレイ又はトランスデューサアレイのサブアパーチャを活性化する。サブアパーチャは、トランスデューサの1次元ラインであってもよいし、又はより大きなアレイ内のトランスデューサの2次元パッチであってもよい。送信モードでは、アレイ又はアレイのサブアパーチャにより生成された超音波ビームの集束及びステアリングが、後述するよう制御される。 In a typical line-by-line imaging sequence, the beamforming system within the probe may operate as follows. During transmission, the beamformer (which may be a microbeamformer or a main system beamformer in some embodiments) activates the transducer array or sub-apertures of the transducer array. A sub-aperture may be a one-dimensional line of transducers or a two-dimensional patch of transducers within a larger array. In transmit mode, the focusing and steering of the ultrasound beams produced by the array or subapertures of the array are controlled as described below.
対象から後方散乱されたエコー信号を受信すると、受信された信号は、受信された信号を整列させるために、受信ビームフォーミング(後述)を受け、サブアパーチャが使用される場合には、サブアパーチャは次に、例えば1つのトランスデューサ要素によりシフトされる。次に、シフトされたサブアパーチャが活性化され、トランスデューサアレイのすべてのトランスデューサ要素が活性化されるまでプロセスが繰り返される。 Upon receiving the echo signals backscattered from the target, the received signals undergo receive beamforming (described below) to align the received signals, and if subapertures are used, the subapertures are It is then shifted, for example by one transducer element. A shifted sub-aperture is then activated and the process repeated until all transducer elements of the transducer array are activated.
各ライン(又はサブアパーチャ)について、最終的な超音波画像の関連ラインを形成するために使用される受信信号の合計は、受信期間中に所与のサブアパーチャのトランスデューサ要素により測定された電圧信号の合計となる。以下のビームフォーミング処理に続いて得られるライン信号は、典型的には無線周波数(RF)データと呼ばれている。様々なサブアパーチャにより生成された各ライン信号(RFデータセット)はその後、最終的な超音波画像のラインを生成するための追加の処理を受ける。時間によるライン信号の振幅の変化は、深さによる超音波画像の明るさの変化に寄与し、ここで、高振幅のピークは、最終画像の明るい画素(又は画素の集合)に対応する。ライン信号の先頭付近に現れるピークは、浅い構造物からのエコーを表し、ライン信号の後半に現れるピークは、対象内の深さが増した場所の構造物からのエコーを表する。 For each line (or sub-aperture), the sum of the received signals used to form the associated line of the final ultrasound image is the voltage signal measured by the transducer elements of the given sub-aperture during the reception period. is the sum of The line signals obtained following the beamforming process below are typically referred to as radio frequency (RF) data. Each line signal (RF data set) produced by the various sub-apertures then undergoes additional processing to produce the lines of the final ultrasound image. Variations in the amplitude of the line signal with time contribute to variations in the brightness of the ultrasound image with depth, where high-amplitude peaks correspond to bright pixels (or groups of pixels) in the final image. Peaks appearing near the beginning of the line signal represent echoes from shallow structures, and peaks appearing later in the line signal represent echoes from structures at greater depths within the object.
トランスデューサコントローラ18により制御される機能の一つは、ビームがステアリング及び集束される方向である。ビームは、トランスデューサアレイから(トランスデューサアレイに直交して)直進するようステアリングされてもよいし、又はより広い撮像野のために異なる角度にステアリングされてもよい。送信ビームのステアリング及び集束は、トランスデューサ要素の作動時間の関数として制御されてもよい。
One of the functions controlled by
一般的な超音波データ取得では、平面波撮像と「ビームステアード」撮像の2つの方法が区別されることができる。この2つの方法は、送信モード(「ビームステアード」撮像)及び/又は受信モード(平面波撮像及び「ビームステアード」撮像)におけるビームフォーミングの存在により区別される。 In general ultrasound data acquisition, two methods can be distinguished: plane wave imaging and "beam steered" imaging. The two methods are distinguished by the presence of beamforming in transmit mode (“beam steered” imaging) and/or in receive mode (plane wave imaging and “beam steered” imaging).
まず集束機能についてであるが、全てのトランスデューサ要素を同時に活性化することで、トランスデューサアレイは平面波を生成し、これは、対象を通過する際に発散する。この場合、超音波のビームは焦点が合っていないままである。トランスデューサの活性化に位置依存的な時間遅延を導入することで、ビームの波面をフォーカルゾーンと呼ばれる所望の点に収束させる(converge)ことが可能になる。フォーカルゾーンは、横方向のビーム幅が送信ビーム幅の半分以下になる点として規定される。こうして、最終的な超音波画像の横方向の解像度が改善される。 First for the focusing function, by activating all transducer elements simultaneously, the transducer array produces a plane wave that diverges as it passes through the object. In this case the beam of ultrasound remains unfocused. Introducing a position-dependent time delay in the activation of the transducer allows the wavefront of the beam to converge to a desired point, called the focal zone. The focal zone is defined as the point where the lateral beamwidth is less than or equal to half the transmit beamwidth. Thus, the lateral resolution of the final ultrasound image is improved.
例えば、トランスデューサ要素が直列に活性化することを時間遅延がもたらし、トランスデューサアレイの最も外側の要素から始まり、トランスデューサアレイの中心要素で終わる場合、中心要素に沿って、プローブから離れた所与の距離でフォーカルゾーンが形成される。プローブからのフォーカルゾーンの距離は、トランスデューサ要素の活性化の各後続のラウンド間の時間遅延に基づき変化する。ビームがフォーカルゾーンを通過した後、ビームは発散し始め、遠撮像野撮像領域が形成される。トランスデューサアレイに近い位置にあるフォーカルゾーンでは、超音波ビームは遠撮像野で素早く発散し、最終画像においてビーム幅のアーチファクトをもたらすことに留意されたい。一般的に、トランスデューサアレイとフォーカルゾーンとの間に位置する近撮像野は、超音波ビームが大きく重なっているため、詳細をほとんど示さない。こうして、フォーカルゾーンの位置を変えることは、最終的な画像の品質における大きな変化をもたらす可能性がある。 For example, if the time delay causes the transducer elements to activate serially, starting from the outermost element of the transducer array and ending at the center element of the transducer array, then along the center element, a given distance away from the probe forms a focal zone. The distance of the focal zone from the probe varies based on the time delay between each subsequent round of transducer element activation. After the beam passes through the focal zone, the beam begins to diverge, forming a far field imaging region. Note that in the focal zone located close to the transducer array, the ultrasound beam diverges quickly in the far field, resulting in beamwidth artifacts in the final image. Generally, the near field located between the transducer array and the focal zone shows little detail due to the large overlap of the ultrasound beams. Thus, changing the position of the focal zone can lead to large changes in final image quality.
送信モードでは、超音波画像が複数のフォーカスゾーン(それぞれが異なる送信焦点を持つ場合がある)に分割されない限り、1つのフォーカスしか規定されることができないことに留意されたい。 Note that in transmit mode only one focus can be defined unless the ultrasound image is divided into multiple focus zones (each of which may have a different transmit focus).
追加的に、対象内からのエコー信号を受信すると、上述した処理の逆の処理を行って受信集束を行うことも可能である。言い換えれば、入力信号は、トランスデューサ要素により受信され、信号処理のためにシステムに渡される前に、電子的な時間遅延を受けてもよい。この最も単純な例は、ディレイアンドサムビームフォーミングと呼ばれている。トランスデューサアレイの受信集束を時間の関数として動的に調整することが可能である。 Additionally, upon receiving echo signals from within the object, it is also possible to perform reception focusing by performing the reverse processing of the above-described processing. In other words, the input signal may undergo an electronic time delay before being received by the transducer elements and passed to the system for signal processing. The simplest example of this is called delay-and-sum beamforming. It is possible to dynamically adjust the receive focusing of the transducer array as a function of time.
次にビームステアリングの機能を見てみると、トランスデューサ要素に時間遅延を正しく適用することで、トランスデューサアレイから出る超音波ビームに所望の角度を与えることができる。例えば、トランスデューサアレイの第1の側のトランスデューサを活性化させ、その後、残りのトランスデューサをアレイの反対側で終わるシーケンスで活性化させることにより、ビームの波面は第2の側に向かって角度が付けられる。トランスデューサアレイの法線に対するステアリング角の大きさは、後続のトランスデューサ要素の活性化の間の時間遅延の大きさに依存する。 Turning now to the function of beam steering, the correct application of time delays to the transducer elements can impart a desired angle to the ultrasound beam exiting the transducer array. For example, by activating the transducers on a first side of the transducer array and then activating the remaining transducers in a sequence ending on the opposite side of the array, the wavefront of the beam is angled toward the second side. be done. The magnitude of the steering angle relative to the transducer array normal depends on the magnitude of the time delay between subsequent transducer element activations.
更に、ステアリングされたビームを集束することが可能である。ここで、各トランスデューサ要素に適用される時間遅延の合計が、集束時間遅延とステアリング時間遅延の両方の合計である。この場合、トランスデューサアレイは、フェーズドアレイと呼ばれる。 Furthermore, it is possible to focus the steered beam. Here the total time delay applied to each transducer element is the sum of both the focus time delay and the steering time delay. In this case the transducer array is called a phased array.
その活性化のためにDCバイアス電圧を必要とするCMUTトランスデューサの場合、トランスデューサコントローラ18は、トランスデューサアレイのためのDCバイアス制御45を制御するように結合されることができる。DCバイアス制御45は、CMUTトランスデューサ要素に印加されるDCバイアス電圧を設定する。
For CMUT transducers that require a DC bias voltage for their activation, the
トランスデューサアレイの各トランスデューサ要素に対して、典型的にはチャネルデータと呼ばれるアナログ超音波信号が、受信チャネルを介してシステムに入る。受信チャネルでは、部分的にビームフォーミングされた信号が、マイクロビームフォーマ12によりチャネルデータから生成され、その後、メイン受信ビームフォーマ20に渡され、ここで、トランスデューサの個々のパッチから部分的にビームフォーミングされた信号が、無線周波数(RF)データと呼ばれる完全にビームフォーミングされた信号に結合される。各段階で実行されるビームフォーミングは、上述したように実行されてもよいし、又は追加的な機能を含んでいてもよい。例えば、メインビームフォーマ20は128個のチャンネルを有していてもよく、それぞれが数十個又は数百個のトランスデューサ要素のパッチから部分的にビーム形成された信号を受信する。こうして、トランスデューサアレイの数千のトランスデューサにより受信された信号は、単一のビームフォーミングされた信号に効率的に寄与することができる。
For each transducer element of the transducer array, analog ultrasound signals, typically called channel data, enter the system via receive channels. In the receive channel, partially beamformed signals are generated from the channel data by the micro-beamformer 12 and then passed to the main receive
ビームフォーミングされた受信信号は、信号プロセッサ22に結合される。信号プロセッサ22は、受信したエコー信号を様々な態様で処理することができ、例えば、バンドパスフィルタリング;デシメーション;I及びQ成分分離;並びに高調波信号分離などがあり、これは、組織及びマイクロバブルから返された非線形(基本周波数の高次高調波)エコー信号の特定を可能にするように、線形信号と非線形信号とを分離するように機能する。信号プロセッサは、スペックル低減、信号合成、及びノイズ除去などの追加的な信号増強を行ってもよい。信号プロセッサにおけるバンドパスフィルタは、トラッキングフィルタであってもよく、そのパスバンドは、エコー信号がより大きな深さから受信されるにつれて、より高い周波数帯域からより低い周波数帯域にスライドし、これにより、解剖学的情報を典型的に欠いているより大きな深さからのより高い周波数でのノイズが拒絶される。
The beamformed received signals are coupled to a
送信用のビームフォーマ及び受信用のビームフォーマは、異なるハードウェアで実現されており、異なる機能を持つことができる。もちろん、受信ビームフォーマは、送信ビームフォーマの特性を考慮して設計される。図1では、簡単のために、受信ビームフォーマ12、20のみが示される。完全なシステムでは、送信マイクロビームフォーマとメイン送信ビームフォーマとを備えた送信チェーンが存在する。
The beamformer for transmission and the beamformer for reception are implemented in different hardware and can have different functions. Of course, the receive beamformer is designed with the properties of the transmit beamformer in mind. In FIG. 1 only the receive
マイクロビームフォーマ12の機能は、アナログ信号の経路数を減らすために、信号の初期の組み合わせを提供することである。これは通常、アナログドメインで実行される。
The function of the
最終的なビームフォーミングは、メインビームフォーマ20で行われ、典型的にはデジタル化後に行われる。
Final beamforming is done in the
送信及び受信チャンネルは、固定周波数帯を有する同じトランスデューサアレイ6を使用する。しかしながら、送信パルスが占有する帯域幅は、使用される送信ビームフォーミングにより異なる可能性がある。受信チャネルは、トランスデューサの帯域幅全体を捕捉することができ(これは古典的なアプローチである)、又は、バンドパス処理を使用して、所望の情報(例えば、主高調波の高調波)を含む帯域幅のみを抽出することができる。
The transmit and receive channels use the
次いで、RF信号は、Bモード(即ち、輝度モード、又は2D撮像モード)プロセッサ26及びドップラープロセッサ28に結合されてもよい。Bモードプロセッサ26は、臓器組織及び血管などの体内構造物を撮像するために、受信した超音波信号に対して振幅検出を行う。ラインバイライン撮像の場合、各ライン(ビーム)は関連するRF信号で表され、その振幅はBモード画像の画素に割り当てられる輝度値を生成するために使用される。画像内の画素の正確な位置は、RF信号に沿った関連する振幅測定の位置と、RF信号のライン(ビーム)番号とにより決定される。斯かる構造のBモード画像は、米国特許第6,283,919号(Roundhillら)及び米国特許第6,458,083(Jagoら)に記載される高調波画像モード又は基本画像モードで形成されてもよいし、両方の組み合わせで形成されてもよい。ドップラープロセッサ28は、画像フィールド内の血球の流れなどの移動体の検出のために、組織の動き及び血流から生じる時間的に区別された信号を処理する。ドップラープロセッサ28は典型的には、体内の選択されたタイプの材料から返されたエコーを通過又は拒絶するように設定されたパラメータを備える壁フィルタを含む。
The RF signal may then be coupled to a B-mode (ie, luminance mode, or 2D imaging mode)
Bモード及びドップラープロセッサにより生成された構造信号及び運動信号は、スキャンコンバータ32及びマルチプラナーリフォーマッタ44に結合される。スキャンコンバータ32は、受信される空間関係においてエコー信号を所望の画像フォーマットに配置する。言い換えると、スキャンコンバータは、RFデータを円筒座標系から、超音波画像を画像ディスプレイ40に表示するのに適した直交座標系へと変換するように機能する。Bモード撮像の場合、所与の座標における画素の明るさは、その位置から受信したRF信号の振幅に比例する。例えば、スキャンコンバータは、エコー信号を2次元(2D)のセクタ型フォーマットに配置してもよいし、又はピラミッド型の3次元(3D)画像に配置してもよい。スキャンコンバータは、画像フィールド内の点での動きに対応する色でBモード構造画像をオーバーレイすることができる。ここで、ドップラー推定速度が所与の色を生成する。Bモード構造画像とカラードップラー画像とを組み合わせて、構造画像フィールド内の組織の動き及び血流が描写される。マルチプラナーリフォーマッタは、米国特許第6,443,896号(Detmer)に記載されるように、身体の体積領域の共通平面内の点から受信されたエコーを、その平面の超音波画像に変換する。ボリュームテンダラ42は、米国特許第6,530,885号(Entrekinら)に記載されるように、3Dデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見た投影された3D画像に変換する。
The structural and motion signals produced by the B-mode and Doppler processors are coupled to scan
2D又は3D画像は、画像ディスプレイ40上での表示のための更なるエンハンスメント、バッファリング、及び一時的な保存のために、スキャンコンバータ32、マルチプラナーリフォーマッタ44、及びボリュームテンダラ42から画像プロセッサ30に結合される。画像プロセッサは、最終的な超音波画像から特定の撮像アーチファクトを除去するよう構成されていてもよい。このアーチファクトは、例えば、強い減衰器又は屈折により引き起こされる音響シャドウイング、例えば、弱い減衰器により引き起こされるポステリアエンハンスメント、例えば、高反射性の組織界面が近接して配置される場合の残響アーチファクト、などである。更に、画像プロセッサは、最終的な超音波画像のコントラストを改善するために、特定のスペックル低減機能を処理するよう構成されていてもよい。
A 2D or 3D image is transferred from the
撮像に使用されることに加えて、ドップラープロセッサ28により生成された血流値と、Bモードプロセッサ26により生成された組織構造情報とは、定量化プロセッサ34に結合される。定量化プロセッサは、臓器の大きさ及び妊娠年齢などの構造的な測定に加えて、血流の体積率などのさまざまな流れの状態の測定値を生成する。定量化プロセッサは、ユーザ制御パネル38から、測定が行われるべき画像の生体構造における点などの入力を受信してもよい。
In addition to being used for imaging, blood flow values generated by
定量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ40における画像と共に測定グラフィック及び数値を再現したり、及び表示装置(画像ディスプレイ)40から音声を出力したりするため、グラフィックプロセッサ36に結合される。グラフィックプロセッサ36は、超音波画像とともに表示するためのグラフィックオーバーレイを生成することもできる。これらのグラフィックオーバーレイは、患者名、画像の日時、撮像パラメータなどの標準的な識別情報を含むことができる。これらの目的のために、グラフィックスプロセッサは、患者名などの入力をユーザインタフェース(又はパネル)38から受信する。ユーザインタフェースはまた、トランスデューサアレイ6からの超音波信号の生成、及び従ってトランスデューサアレイ及び超音波システムにより生成される画像の生成を制御するために送信コントローラ18に結合される。コントローラ18の送信制御機能は、実行される機能の一つに過ぎない。コントローラ18はまた、(ユーザにより与えられた)動作モードと、対応する必要な送信機構成と、受信機のアナログ-デジタルコンバータにおけるバンドパス構成とを考慮に入れる。コントローラ18は、固定された状態を備えるステートマシンであってもよい。
Output data from the quantification processor is coupled to
ユーザインタフェースはまた、複数のマルチプラナーリフォーマット(MPR)画像の平面の選択及び制御のためのマルチプラナーリフォーマッタ44に結合される。これは、MPR画像の画像フィールドにおいて定量化された測定を実行するために使用され得る。
The user interface is also coupled to a
図2は、超音波トランスデューサアレイ110とプロセッサ120とを有する超音波システム100の概略図を示し、プロセッサは例えば、上述したプロセッサ26、28、30、34の1つ又は複数であってもよい。
FIG. 2 shows a schematic diagram of an
超音波トランスデューサアレイ110は、複数のトランスデューサ要素130を有し、対象の身体140に適合するよう構成される。複数の超音波トランスデューサ要素の少なくとも2つの超音波トランスデューサ要素は、関心領域150に対して異なる向きで上記関心領域から複数の超音波信号を取得するよう構成される。各個別のトランスデューサ要素130は、超音波を送信及び受信するよう構成される。トランスデューサ要素は、圧電トランスデューサ又はCMUTセルを有することができる。
The
トランスデューサアレイ110は、いくつかの方法で対象の身体140に適合するよう構成されてもよい。例えば、複数のトランスデューサ要素は、柔軟性のあるシリコーン層に埋め込まれていてもよい。
言い換えれば、トランスデューサアレイは、トランスデューサ要素が身体表面と良好な接触を有することを確実にするため、対象の身体に適合するよう構成されてもよい。更に、トランスデューサ要素と対象との間の要素の下に配置された材料層は、超音波の伝播に適した適切な音響インピーダンスを有するように選択されてもよい。トランスデューサアレイは例えば、トランスデューサ要素を布又はベルトに一体化することにより、任意の適切な材料から作られてもよく、これらは対象の身体に巻き付けられてもよい。 In other words, the transducer array may be configured to conform to the subject's body to ensure that the transducer elements have good contact with the body surface. Additionally, the material layer placed under the element between the transducer element and the target may be selected to have an appropriate acoustic impedance suitable for propagation of ultrasound waves. The transducer array may be made from any suitable material, for example by integrating the transducer elements into a cloth or belt, which may be wrapped around the subject's body.
追加的に、柔軟なアレイは完全に閉じている必要はない。例えば、個々の要素は、互いに対する要素のおおよその位置を規定する任意の柔軟なコネクタピースにより相互接続され得る。 Additionally, flexible arrays need not be completely closed. For example, individual elements may be interconnected by any flexible connector piece that defines the approximate position of the elements relative to each other.
代替的に、個々のトランスデューサ要素130は、皮膚に直接取り付けるECG測定電極と同様の方法で、対象の皮膚に直接取り付けられることができる。
Alternatively,
更に、要素のサブセット(例えば、7つの要素のトランスデューササブアレイ)が、剛性プレート上に配置されてもよく、これは、皮膚上に配置されてもよい。これらの複数のサブアレイは、測定対象の曲率に追従しながら大面積をカバーするために使用されてもよい。 In addition, a subset of the elements (eg, a 7 element transducer subarray) may be placed on a rigid plate, which may be placed on the skin. These multiple sub-arrays may be used to cover a large area while following the curvature of the object being measured.
図2に示される例では、胎児の心拍を測定するために超音波システム100が採用される。より具体的には、トランスデューサアレイ110は、胎児領域を照射するために、母体の腹部に隣接して配置される。
In the example shown in FIG. 2,
トランスデューサアレイ100が可撓性を有し、母体の腹部に配置されるという事実のために、各トランスデューサ要素は、特定の角度で母体の腹部に向けられる。アレイのおおよその曲率を知ることが、超音波システムで捕捉された3D超音波画像を構成する各サンプルボリュームの位置を推定することを可能にする。トランスデューサアレイの近似曲率は、妊娠中の母親のお腹の平均曲率から推定されることができる。
Due to the fact that the
代替的に、超音波トランスデューサアレイ110は、センサ160を更に含んでもよく、プロセッサ120は、センサの出力に基づき超音波トランスデューサアレイの曲率を決定するよう構成される。センサは、ひずみゲージ、加速度計、圧電センサ、及びカメラの1つ又は複数を有することができる。例えば、カメラは、アレイの曲率を決定するために使用されてもよく、更に、母体の腹部上のアレイの位置を決定するために使用されてもよい。
Alternatively, the
2Dアレイ内の個々のトランスデューサ要素の既知の位置と、このアレイの曲率とが、患者に対するトランスデューサ要素の位置を得ることを可能にし、これにより、測定ボリューム内の心臓の位置のx-位置及びy-位置が推定される。 The known positions of the individual transducer elements within the 2D array and the curvature of this array make it possible to obtain the position of the transducer elements relative to the patient, thereby providing the x-position and y-position of the heart's position within the measurement volume. - Position is estimated.
プロセッサ120は、超音波トランスデューサアレイにより取得された超音波エコー信号を受信するよう構成される。信号を受信すると、プロセッサは信号の深さに基づき、信号を分割するよう構成される。この信号の分割は、図3を参照して更に後述される。
図3は、受信したエコー信号の分割を概略的に示す。第1の軸170は、母体の腹部180に隣接して配置された上述のトランスデューサアレイ110と胎児の心臓190との間の変位zを示す。
FIG. 3 shows schematically the splitting of the received echo signal. A
第2の軸200は、トランスデューサアレイの超音波トランスデューサにより生成され得る例示的な超音波信号210を示す。第2の軸は、組織内の超音波信号の速度に比例する第1の軸に対応する。
A
第3の軸220は、胎児心臓190により反射された受信超音波エコー信号230を示す。同様の信号は、トランスデューサアレイの各アクティブトランスデューサ要素により受信される。受信した信号は、タイムゲート240により分割される。
A
複数のタイムゲート240を用いて受信したエコー信号を分割することが、測定ボリューム内の心臓位置の深さ(z位置)を推定することを可能にする。
Dividing the received echo signals with
各トランスデューサ要素について、異なる深さから複数のドップラー信号が計算される。言い換えると、各超音波信号の分割に対して、ドップラパワーが算出される。これは、ドップラパワー算出処理中に、レンジゲートとも呼ばれる複数のタイムゲートを設定することにより行われることができる。各送信超音波バーストに対して、図3に示されるように、受信超音波エコー信号yig(n)の1サンプルnが取得され、ここでiは要素インデックス、gはレンジゲートインデックスを表す。各レンジゲートに対して、共通のドップラー処理方式が用いられることができる。従って、取得されたドップラー信号の総数は、積i*gとなる。 Multiple Doppler signals are calculated from different depths for each transducer element. In other words, the Doppler power is calculated for each ultrasound signal split. This can be done by setting multiple time gates, also called range gates, during the Doppler power calculation process. For each transmitted ultrasound burst, one sample n of the received ultrasound echo signal yig(n) is acquired, as shown in FIG. 3, where i represents the element index and g the range gate index. A common Doppler processing scheme can be used for each range gate. The total number of acquired Doppler signals is therefore the product i*g.
上記ドップラパワーの算出は、上記超音波信号の分割に基づきドップラー信号を算出し、上記ドップラー信号の所定時間の二乗平均値を算出することにより、上記ドップラパワーを算出することを含んでいてもよい。 Calculating the Doppler power may include calculating the Doppler power by calculating a Doppler signal based on the division of the ultrasound signal and calculating a root mean square value of the Doppler signal over a predetermined time period. .
言い換えると、受信したエコー信号230の各分割について、ドップラー信号が計算される。この計算されたドップラー信号の長さは、レンジゲートのサイズに依存する。ドップラー信号の二乗平均値は、所定の時間期間を規定するレンジゲートにわたり算出される。例えば、時間期間は1秒以上、例えば2秒以上である。
In other words, the Doppler signal is calculated for each division of the received
別の言い方をすると、例では、心拍が常に測定されることを保証するために、各ドップラー信号のパワーは、2秒の時間期間にわたって二乗平均値を使用して計算される。ドップラパワーPi,gは、特定のサンプルボリューム内の総運動を反映している。レンジゲートインデックスはサンプルボリュームの深さを決定し、送信された超音波ビームの形状はサンプルボリュームの幅を決定する。 Stated another way, in the example, the power of each Doppler signal is calculated using the root mean square value over a two second time period to ensure that the heart rate is always measured. The Doppler power Pi,g reflects the total motion within a particular sample volume. The range gate index determines the depth of the sample volume and the shape of the transmitted ultrasound beam determines the width of the sample volume.
こうして、検出された動きのレンジゲートインデックスに注目することで、各超音波信号の分割のドップラパワーに基づき、胎児の心拍の深さを特定することができる。 Thus, by noting the range gate index of the detected motion, the depth of the fetal heartbeat can be determined based on the Doppler power of each ultrasound signal split.
胎児の心拍の深さの特定は、ドップラパワーを閾値パワーと比較することを含んでもよい。即ち、所与の閾値以上のドップラパワーを特定することにより、撮像領域、例えば母体の腹部の背景運動が割り引かれてもよい。こうして、胎児の心拍は、1つ又は複数のレンジゲート内で分離されてもよく、これにより、胎児の心臓が配置されるサンプルボリュームが特定されることができる。 Determination of fetal heartbeat depth may include comparing Doppler power to a threshold power. That is, by identifying Doppler powers above a given threshold, background motion of the imaging region, eg, the maternal abdomen, may be discounted. Thus, fetal heart beats may be isolated within one or more range gates, thereby identifying the sample volume in which the fetal heart is located.
胎児の心拍の深さの特定は、閾値パワー以上のドップラパワー値をクラスタリングすることを更に含んでもよい。自動化されたクラスタリングは、測定ボリューム内のドップラーソースの空間的な分離を提供し、これにより、胎児の心拍数及び/又は位置の自動検出が提供される。一例では、クラスタリングは、2要素ガウス混合モデルを用いて実行されてもよい。 Determining fetal heartbeat depth may further include clustering Doppler power values equal to or greater than the threshold power. Automated clustering provides spatial separation of the Doppler sources within the measurement volume, thereby providing automatic detection of fetal heart rate and/or position. In one example, clustering may be performed using a two-element Gaussian mixture model.
ドップラパワー値を閾値化した後、胎児の心拍数を測定するのに適した候補ボリュームであるすべてのサンプルボリュームが特定され、及びトランスデューサアレイの推定曲率が与えられる場合、上記サンプルボリュームの位置が特定されることができる。ガウス混合モデルは、データ(サンプルボリュームの位置)がガウス分布から来ていると仮定する。双子心拍数を測定する例では、測定ボリューム内に胎児の心臓が2つあることが知られるので、データは2要素ガウスモデルにフィットされる。フィットした2要素ガウスモデルは、その後、サンプルボリュームがどのクラスタに属するか、言い換えればどの胎児の心臓に属するかを決定するために使用されることができる。 After thresholding the Doppler power values, all sample volumes that are good candidate volumes for measuring fetal heart rate are identified, and given the estimated curvature of the transducer array, the positions of the sample volumes are identified. can be A Gaussian mixture model assumes that the data (positions in the sample volume) come from a Gaussian distribution. In the example of measuring twin heart rates, the data are fitted to a two-factor Gaussian model because it is known that there are two fetal hearts in the measurement volume. The fitted two-element Gaussian model can then be used to determine which cluster, or in other words which fetal heart, the sample volume belongs to.
更なる例では、クラスタリングは、k平均クラスタリングモデルを用いて実行されてもよい。 In a further example, clustering may be performed using a k-means clustering model.
k平均クラスタリングでは、サンプルボリュームの位置がどのように分布しているかについて基本的な仮定はない。k平均アルゴリズムは、最小の分散でデータをk個のサブセットに分割することを目的としている。 In k-means clustering, there are no fundamental assumptions about how the positions of the sample volume are distributed. The k-means algorithm aims to divide the data into k subsets with minimal variance.
様々な代替クラスタリング方法が採用されてもよい。例えば、階層的クラスタリング法は、生成されるクラスタの数を事前に指定することなく、データをグループ化することを可能にする。サンプルボリューム内の母体動脈の存在下では、これらのクラスタリング方法が有用であり、採用され得る。 Various alternative clustering methods may be employed. For example, hierarchical clustering methods allow data to be grouped without specifying in advance the number of clusters to be generated. In the presence of maternal arteries within the sample volume, these clustering methods are useful and may be employed.
胎児の心拍の特定された深さと、少なくとも2つの超音波トランスデューサの位置とは、次に、胎児の心臓の位置を特定するために使用されてもよい。 The determined depth of the fetal heartbeat and the positions of the at least two ultrasound transducers may then be used to locate the fetal heart.
図4は、双子を含む母体腹部180に適用される上述の超音波システムの概略図を示す。言い換えると、撮像領域内には胎児の心拍が2つ存在する。 FIG. 4 shows a schematic diagram of the ultrasound system described above applied to a maternal abdomen 180 containing twins. In other words, there are two fetal heartbeats within the imaging region.
図4に示されるように、第1トランスデューサ130aにより生成された超音波信号250aは、第1胎児心臓260と第2胎児心臓270との両方に部分的に交差する。従って、これらの送信ラインに沿って受信したエコー信号は、両胎児の心臓からの運動信号を含むことになる。これは、受信信号における大量のノイズをもたらし、胎児の心臓の特定された位置の精度を低下させる。
As shown in FIG. 4, the
典型的には、これは複数の超音波プローブを提供することにより対処され、それぞれが胎児の心臓の1つを撮像するように向けられる。双子の胎児心拍数モニタリングのために、母体の腹部に2つの別々の超音波プローブを配置することは困難である。 Typically, this is addressed by providing multiple ultrasound probes, each directed to image one of the fetal hearts. It is difficult to place two separate ultrasound probes in the maternal abdomen for twin fetal heart rate monitoring.
例えば、両方の心臓が1つのプローブのサンプルボリューム内にある場合、測定されたドップラー信号は両方の心臓の動きを反映している。従って、ドップラー信号は複数のピークを示し、胎児心拍数を推定するために使用されるアルゴリズム、例えば自己相関関数は、それぞれの胎児の正しい拍間間隔を決定することができない。 For example, if both hearts are within the sample volume of one probe, the measured Doppler signal will reflect the motion of both hearts. Therefore, the Doppler signal exhibits multiple peaks and the algorithms used to estimate fetal heart rate, such as the autocorrelation function, are unable to determine the correct interbeat interval for each fetus.
更に、両方の胎児の心臓の位置は時間の経過とともに変化する場合があるため、これは、超音波トランスデューサの再配置が必要とされることを意味する。追加的に、測定された心拍数を正しい胎児に明確に割り当てることに注意が払われる必要がある。心拍数が間違って割り当てられることが起こり得る。記録された心拍数のトレースが不審に見える場合、誤った介入が臨床医により選択されることをもたらす場合がある。 Furthermore, since the position of both fetal hearts may change over time, this means that repositioning of the ultrasound transducers is required. Additionally, care needs to be taken to unambiguously assign the measured heart rate to the correct fetus. It is possible that the heart rate is incorrectly assigned. If the recorded heart rate trace looks suspicious, it may lead to the wrong intervention being chosen by the clinician.
測定された心拍数が偶然に一致する、又は同じ範囲内に含まれる場合、この監視システムは、アラームを出す場合がある。なぜなら、それは、本当に両方の胎児の心拍数を測定しているのか、又は同じ胎児の心拍数を2回測定しているのかを決定することができないからである。 If the measured heart rates happen to coincide or fall within the same range, the monitoring system may issue an alarm. Because it cannot determine whether it is really measuring both fetal heart rates or measuring the same fetal heart rate twice.
対象の身体に適合するよう構成された単一の柔軟なトランスデューサアレイを採用することにより、同じトランスデューサアレイ110の第1のトランスデューサ要素130a及び第2のトランスデューサ要素130bによりそれぞれ生成された超音波信号250a及び250bを、異なる角度から両方の胎児の心臓に照射することが可能である。こうして、少なくとも1つの遮蔽されていない超音波送信ラインを用いて、両胎児の心臓の位置を三角測量することが可能である。こうして、残りの受信エコー信号から各胎児心臓位置を正確に分離することができ、これにより、胎児心臓領域の全体的な特定の精度が増加される。
トランスデューサアレイは、それぞれが超音波信号を送信及び受信するよう構成された任意の数のトランスデューサ要素を含むことができるので、少なくとも1つの信号は、別のドップラー源(別の胎児の心臓など)により中断されないであろう。 Since the transducer array can include any number of transducer elements each configured to transmit and receive ultrasound signals, at least one signal is transmitted by another Doppler source (such as another fetal heart). will not be interrupted.
更に、すべてのトランスデューサ要素で同時に送信する代わりに、胎児の心臓に向けられた要素のグループ(所定のアポダイゼーションプロファイルを有する1つ又は複数の要素)のみが、胎児に供給される音響線量の総量を減少させるために送信のために活性化されてもよい。 Furthermore, instead of transmitting on all transducer elements simultaneously, only the group of elements directed toward the fetal heart (one or more elements with a given apodization profile) contributes to the total acoustic dose delivered to the fetus. May be activated for transmission to reduce.
同様に、すべての要素で同時に受信する代わりに、胎児の心臓に向けられた要素のグループ(所定のアポダイゼーションプロファイルを有する1つ又は複数の要素)のみが、受信されたエコー信号の信号対雑音比を改善するために、受信のために活性化され得る。 Similarly, instead of being received by all elements simultaneously, only the group of elements (one or more elements with a given apodization profile) directed toward the fetal heart will have a signal-to-noise ratio of the received echo signal. can be activated for reception to improve the
図5は、2つの胎児の心臓を含む測定領域のサンプルボリュームの3D視覚化を示す。図5は、x軸、y軸及びz軸により規定される測定領域の上に配置された超音波トランスデューサ要素130のアレイを示す。測定ボリューム内では、所定の閾値以上の計算されたドップラパワーを有する受信エコー信号の分割を表すサンプルボリューム280が示される。表現されるサンプルボリュームが暗いほど、そこで測定されたドップラパワーが高くなり、即ち、このエリアにおける動きが多い。
FIG. 5 shows a 3D visualization of the sample volume of the measurement region containing two fetal hearts. FIG. 5 shows an array of
トランスデューサアレイを横切って測定されたドップラパワーは、その後、クラスタ化され、胎児の心臓領域290を特定するために使用されることができる。
The Doppler power measured across the transducer array can then be clustered and used to identify
別の言い方をすれば、ドップラパワーPi,gが3Dで視覚化され、最も強いドップラー信号がどこに位置するかが示される。3Dでのドップラパワーの視覚化は、測定ボリューム内に2つのドップラーソースのみが存在するかどうか、又は例えば脈動する母体動脈が測定ボリューム内に存在するかどうかを簡単に確認することを提供する。特に、母体動脈は、超音波トランスデューサのサンプルボリューム内に横たわっており、取得されたドップラー信号を破損させる可能性がある。これは、胎児心拍数の誤った登録、又は代わりに母体心拍数の測定をもたらす場合がある。この場合、上記で提案したシステムは、斯かる誤ったドップラー信号のソースを特定し、胎児の心臓信号においてそれらを割り引くことができる。 In other words, the Doppler power Pi,g is visualized in 3D, showing where the strongest Doppler signals are located. Visualization of Doppler power in 3D provides an easy way to see if there are only two Doppler sources in the measurement volume or if for example a pulsating maternal artery is present in the measurement volume. In particular, the maternal artery lies within the sample volume of the ultrasound transducer and can corrupt the acquired Doppler signal. This may result in erroneous registration of fetal heart rate, or alternatively maternal heart rate measurement. In this case, the system proposed above can identify the sources of such erroneous Doppler signals and discount them in the fetal heart signal.
一例では、所定の閾値以上のドップラパワーPi,gを有するすべてのサンプルボリュームの位置が、2要素ガウス混合モデルにフィットされ、その後、クラスタ化される。中央値胎児心拍数は、その後、2つの胎児心拍数の測定値を得るために、各クラスタのドップラー信号から計算される。 In one example, all sample volume locations with Doppler power Pi,g greater than or equal to a predetermined threshold are fitted to a two-element Gaussian mixture model and then clustered. A median fetal heart rate is then calculated from the Doppler signals for each cluster to obtain two fetal heart rate measurements.
斯かる3D視覚化は、適切なディスプレイを介してユーザに提示されてもよく、ディスプレイは、胎児の心臓領域をユーザに表示するよう構成される。 Such 3D visualization may be presented to the user via a suitable display, the display configured to show the fetal heart region to the user.
図5に示される例は、25個のトランスデューサ要素を有するトランスデューサアレイを用いて得られた。ドップラー信号は、64のレンジゲートから計算された。実験的検証のために、双子の胎児の心臓のin-vitroセットアップを使用してシステムがテストされた。その結果、単一の柔軟なセンサマトリックスが、双子の胎児の心臓の局在化及び視覚化を可能にすることが確認された。提案されたクラスタリングアルゴリズムを用いれば、2つの超音波トランスデューサを手動で位置決めするという前述の問題を生じることなく、2つの胎児心拍数が検出されることができる。これは、改善された臨床ワークフロー、及びより好適な双子の胎児の健康モニタリングをもたらすことができる。 The example shown in FIG. 5 was obtained using a transducer array with 25 transducer elements. Doppler signals were calculated from 64 range gates. For experimental validation, the system was tested using an in-vitro setup of twin fetal hearts. The results confirm that a single flexible sensor matrix allows localization and visualization of twin fetal hearts. With the proposed clustering algorithm, two fetal heart rates can be detected without the aforementioned problem of manually positioning two ultrasound transducers. This can result in improved clinical workflow and better twin fetal health monitoring.
図6は、本発明による超音波撮像方法300を示す。
FIG. 6 shows an
ステップ310では、関心領域に対して異なる向きを有する少なくとも2つの超音波トランスデューサにより、複数の超音波信号が取得される。
At
ステップ320において、複数の超音波信号は、例えばレンジゲートを用いて、信号の深さに基づき分割される。
At
ステップ330では、各超音波信号の分割についてドップラパワーが計算される。
At
ステップ340では、各超音波信号の分割のドップラパワーに基づき、各超音波信号について胎児の心拍の深さが特定される。
At
ステップ350では、ドップラパワーが閾値パワーと比較され、ステップ360では、閾値パワー以上のドップラパワー値がクラスタリングを受けてもよい。
At
ステップ370では、特定された胎児の心拍と、少なくとも2つの超音波トランスデューサの位置とに基づき、胎児の心臓領域が特定される。
At
開示された実施形態に対する変形は、図面、開示、及び添付の請求項の研究から、請求項に記載された発明を実施する当業者により理解及び達成され得る。請求項において、「有する」という語は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数性を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項に記載された複数のアイテムの機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに、又はその一部として提供される光学式記憶媒体又はソリッドステート媒体などの適切な媒体において格納/配布されることができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してといった他の形式で配布されることもできる。請求項における参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。 Variations to the disclosed embodiments can be understood and effected by those skilled in the art in practicing the claimed invention, from a study of the drawings, the disclosure, and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite articles "a" or "an" do not exclude a plurality. A single processor or other unit may fulfill the functions of several items recited in the claims. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage. The computer program can be stored/distributed on any suitable medium, such as optical storage media or solid-state media provided with or as part of other hardware, but the Internet or other wired or wireless communications It can also be distributed in other forms, such as via a system. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope.
Claims (11)
超音波トランスデューサアレイであって、対象の身体に適合するよう構成された複数の超音波トランスデューサ要素を含み、前記複数の超音波トランスデューサ要素の少なくとも2つの超音波トランスデューサ要素が、異なる方向にある関心領域から複数の超音波信号を取得する、超音波トランスデューサアレイと、
前記超音波トランスデューサアレイにより取得された前記複数の超音波信号を受信するプロセッサとを有し、
前記プロセッサが、
信号の深さに基づき、前記複数の超音波信号を分割し、
各超音波信号の分割について、ドップラパワーを計算し、
各超音波信号について、各超音波信号の分割の前記ドップラパワーに基づき、胎児の心拍の深さを特定し、
前記特定された胎児の心拍及び前記少なくとも2つの超音波トランスデューサの位置に基づき、胎児の心臓領域を特定する
よう構成され、
前記胎児の心拍の深さを特定することが、前記ドップラパワーを閾値パワーと比較することを含み、
前記胎児の心拍の深さを特定することが、前記閾値パワー以上の前記ドップラパワーをクラスタリングすることを更に含み、
前記クラスタリングは、2要素ガウス混合モデル又はk平均クラスタリングモデルを用いて実行される、
超音波システム。 An ultrasound system,
An ultrasound transducer array comprising a plurality of ultrasound transducer elements configured to conform to a body of a subject, wherein at least two ultrasound transducer elements of said plurality of ultrasound transducer elements are oriented in different directions in a region of interest. an ultrasonic transducer array that acquires a plurality of ultrasonic signals from
a processor that receives the plurality of ultrasonic signals acquired by the ultrasonic transducer array;
the processor
splitting the plurality of ultrasound signals based on signal depth;
Compute the Doppler power for each ultrasound signal split,
determining, for each ultrasound signal, the depth of the fetal heartbeat based on the Doppler power of the split of each ultrasound signal;
configured to identify a fetal heart region based on the determined fetal heart rate and the positions of the at least two ultrasound transducers;
determining the heartbeat depth of the fetus includes comparing the Doppler power to a threshold power;
determining the heartbeat depth of the fetus further comprises clustering the Doppler power above the threshold power ;
the clustering is performed using a two-element Gaussian mixture model or a k-means clustering model ;
ultrasound system.
関心領域に対して異なる方向を持つ少なくとも2つの超音波トランスデューサを用いて、複数の超音波信号を取得するステップと、
信号の深さに基づき、前記複数の超音波信号を分割するステップと、
各超音波信号の分割について、ドップラパワーを計算するステップと、
各超音波信号について、各超音波信号の分割の前記ドップラパワーに基づき、胎児の心拍の深さを特定するステップと、
前記ドップラパワーを閾値パワーと比較するステップと、
前記閾値パワー以上の前記ドップラパワーをクラスタリングするステップであり、前記クラスタリングは、2要素ガウス混合モデル又はk平均クラスタリングモデルを用いて実行される、ステップと、
前記特定された胎児の心拍及び前記少なくとも2つの超音波トランスデューサの位置に基づき、胎児の心臓領域を特定するステップとを有する、方法。 In the ultrasound imaging method,
acquiring a plurality of ultrasound signals using at least two ultrasound transducers with different orientations with respect to the region of interest;
dividing the plurality of ultrasound signals based on signal depth;
calculating the Doppler power for each ultrasound signal split;
determining, for each ultrasound signal, the depth of the fetal heartbeat based on the Doppler power of the split of each ultrasound signal;
comparing the Doppler power to a threshold power;
clustering the Doppler powers above the threshold power , wherein the clustering is performed using a two-element Gaussian mixture model or a k-means clustering model;
and determining a fetal heart region based on the determined fetal heart rate and the positions of the at least two ultrasound transducers.
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